巷道破碎煤岩体注浆加固的可行性分析

付琛　曹明

摘要：目前相关巷道破碎煤岩体注浆加固已被广泛使用，但其理论研究较少，巷道破碎煤岩体注浆机理方面的研究总体来说主要停留在对宏观显现定性的总结，缺乏深入的研究。文章讨论了巷道破碎煤岩体注浆加固的作用，并对巷道破碎岩块注浆加固后的固结性能与力学状态进行了初步分析。

关键词：巷道；破碎煤岩体；注浆加固；固结性能；力学状态 文献标识码：A

中图分类号：TD265 文章编号：1009-2374（2015）03-0158-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0268

高分子材料注浆加固煤岩体技术是近些年来逐步发展起来的一门技术，就是利用专门注浆设备将新型高分子材料浆液压入煤岩体，其封闭、充填和固结周围岩体及周围煤层裂隙面提高围岩的整体性，隔绝透风、渗水、预防瓦斯灾害及加固周围岩体。

1 巷道破碎煤岩体的注浆加固作用

1.1 网状骨架支撑结构提高体的整体强度

在破裂的煤炭岩体程中，浆体的作用下挤压或渗入到碎煤岩体的裂隙中，浆体凝固后固态的形式充填在裂隙中并与原有岩体固结，这些充填的材料在原有岩体内形成新的网状的骨架式构。

注浆后原有岩体增加了由加固材料形成的浆脉，根据现场观察测量得到的浆脉厚度大约为0.5～50mm。这些浆脉在岩体中呈薄厚不均的片状或带状，但彼此相联系，形成网状骨架结构。网状骨架内侧则是均匀密实的岩体，形成网状骨架式的充填材料具有较好的弹性和粘结强度。

1.2 增强加固作用

当集中的切向应力高于原有岩体的强度承受极限时，巷道表面的围岩先遭受破坏，产生裂隙，岩体原有的内应力及内摩擦角下降，巷道周围的岩体一定范围内形成围岩破碎带，在这个破碎带内的岩体仍然具有一定的残余强度，使抵抗巷道围岩深部变形的承受能力减小。注浆加固的作用就是通过注浆使该区域内的破碎岩体的强度及整体性得到加强，当浆液在岩体内充填，固结强度得到加强，使巷道周围形成完整的不间断的承压体，围岩应力分布趋向均匀，减轻了应力集中现象，增强了支架的承载能力，从而加强了周围岩体的稳定

程度。

注浆有利于改变原岩体弱面的力学性能，从而增强裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块体间相对位移的阻力，提高围岩整体的稳定性。根据现场直接观察测验和实验室进行的模拟实验结论，对分析注浆前后的岩体力学性能。从结构面力学性能和抗剪强度实验能够发现，注浆后岩体的粘聚力和内摩擦角都有着不同程度的提高，硬度和抗剪强度都得到改善，其中硬度的变化更为显著。

1.3 充填注浆对压实作用的影响

注浆浆液在注浆泵注浆压力作用下，不但能够将相互连通的岩体裂隙充填，还能够同时在压力作用下将充填不到的封闭裂隙和空隙压缩，从而对整个岩体起到压实作用。压实作用的结果是使岩体的弹性模量提高，强度也会随之相应提高。

1.4 有利于破坏机理作用的转变

当岩体中存在较大的裂隙时，裂隙附近的岩石单元处于双向应力状态。如果裂隙内充满加固材料，则应力发生变化，这些单元将转变成三向受力的状态。岩石在三向受力状态下的强度极限将比在两向应力或单向应力时的状态会有显著的增强并且脆性减小，塑性加强，注浆加固从而起到了转换破坏机理和增加岩体强度的

作用。

1.5 共同承载作用得以加强

在破碎松散岩体中进行注浆加固，可以让巷道破碎煤岩体重新胶结成整体，形成承载结构，充分发挥围岩的自稳能力，并与巷道原有支护体系共同支撑，从而减轻原有支护体系承受的载荷。

1.6 安全作用

巷道破碎煤岩体注浆后，凝固后的浆液固结体将封闭围岩的裂隙，阻止地下水和有害气体侵入、渗漏，防止巷道围岩裂隙引起的透风、渗水现象，从而减少甚至杜绝瓦斯和水害事故的发生，对减少瓦斯渗入和预防水患具有重要的作用。

2 对于巷道破碎岩块注浆加固后的固结性能分析

在地质过程中形成和改造过的天然岩体，特别是与人类工程活动密切相关的地壳表层岩体，是由软弱面切割成的岩石块体所组成的复杂介质。软弱面是具有强度低和易变形特性的各种地质界面，如裂隙、层面、断裂的统称。由一些软弱岩面将岩体切割成为岩石块体，这种岩石块体被称为结构体。

结构面对原位岩体的强度、变形性、渗透性、各项异性、力学上的不间断性以及岩体中应力分布等均有显著影响。一般来说，结构面是影响岩体力学问题的控制性因素。不同类型的结构面具有不同的工程地质特征，这些不同特征直接取决于结构面的自然特性以及造成它们自然特性差异的地质成因和力学成因。不同类型的岩体结构单元在岩体组合和排列形式构成了不同的岩体结构。各类岩体结构的典型图如图1所示：

a.整体结构图；b.块状结构图；c.层状结构图；d.薄层状结构图示；e.镶嵌破碎结构图示；f.层状破碎结构图示；g.破碎结构图示；h.散体结构图示

图1 各类岩体结构图

破裂岩石注浆固结体是由不规则岩块、各种孔隙构成的弱面、渗入到深部分弱面中的浆液凝胶体等共同组成的多项复合材料，在宏观层次上可将其视为均匀不间断材料，分析研究其整体力学性能，便于在工程层次上研究巷道围岩注浆加固机理和整体效果；在细观层次上可将其视为不均匀间断材料，分析浆液渗入裂隙面后的固结性能，适合选择岩块进行力学性能及固结性能分析；在微观层次上时和研究注浆材料凝胶体及其和岩石的粘结性。由于化学和力学的原因，高分子类浆液与岩石裂隙面之间产生一定的粘结力，它通常取决于组成界面的实际接触面积及界面自由能的强弱程度和其他因素影响，包括注浆材料品种、裂隙面粗糙起伏度及表面结构、岩块强度等。对水泥类注浆材料，界面的粘结强度小于岩块本身的强度，也小于凝胶体的强度，表现为结构中最薄弱的环节，是固结体最容易破坏的地方。

而对化学注浆材料，由于化学浆液凝胶体的抗压强度达到80MPa，高于岩石试块本身的强度，并且化学凝胶体与岩石裂隙表面的粘结强度也较高，甚至高于试块岩石本身的抗剪强度，因而对化学注浆而言，注浆固结体容易破坏的环节应在浆液没渗透进的岩石裂隙或

弱面。

破裂岩块注浆加固后力学性能有一定的改善，强度恢复系数>1，即经过注浆固结后，岩块的强度较之于原试块承载能力有所提高，抗压强度也随之提高，并且固结体大都沿新产生的裂隙面破坏，破裂机理有一定改变，反映了德克因材料与岩体的破裂面的粘结力较高，改变了岩块的破坏方式。破裂岩石注浆固结体的稳定性主要在于固结强度，因此破裂岩体的注浆固结效果尚需在整体固结性能上加以分析。

3 影响注浆效果的因素

破裂岩体和松散煤岩体注浆固结实验都表明注浆固结效果的影响因素包括三个方面：岩石材料性能、注浆材料性能、注浆参数。

3.1 注浆材料对注浆效果的影响

对德克因材料而言，影响材料性能的主要是浆液的放置时间、浆液粘度、浆液凝胶体的抗强度等参数，一般来说，浆液放置时间越长，其粘度也就越大，粘度越大浆液的渗透性越低。浆液的粘度是浆液材料的重要注浆参数，它与浆液的放置时间、温度等因素相关，而凝胶体抗压强度则与浆液的膨胀倍数有关。浆液的粘度降低浆液的渗透性能增加，浆液能够注入更细微的裂隙中，有利于对岩体的固结。

3.2 注浆压力对注浆效果的影响

注浆压力是在注浆过程中，克服浆液流动阻力并将之压注进岩体裂隙中的动力。水泥类浆液是颗粒型浆液，其流动阻力大于溶液型的化学浆液，当岩体裂隙度较小时，浆液渗透性低，则需要较高的注浆压力才能保证注浆效果。

不同水泥浆凝固时的收缩性不同，当注浆完成后，注浆压力也随之减小或消失，而德克因材料在凝胶过程中具有膨胀性，这不仅会促进浆液的渗透，还能使注浆压力作为人为的侧向力随浆液的凝胶而使岩体内部保存下来，注浆压力相当于在注浆过程中为岩体人为地施加了一侧向约束力，侧向力的增大，岩体的稳定性也增强。因此在注浆过程中，注浆压力越大，注浆效果越好，从目前我国煤矿注浆经验来看，注浆压力大都在5MPa以下，注浆压力偏小。目前由于受注浆机具的限制，注浆压力也不能无限制地增加。从实践的角度来看，巷道破碎煤岩加固时，注浆压力应不低于15MPa，对遇到松软致密的巷道岩层时，注浆压力应在20MPa

以上。

4 结语

综上所述，注浆可以有效加固岩体改善岩体的力学性能。可是由于用于比较的岩体力学指标概念不明确或条件不同，常常不具有比较性，所以结果差距悬殊或工程意义不具体。本文根据巷道围岩的实际赋存状态的分析，明确指出注浆主要是加固和改善破裂后岩体的力学性能，为巷道围岩加固注浆建立了理论基础。得出了以下结论：（1）固结体的强度受岩性、浆液性能和注浆压力等因素的制约，影响程度可以用强度恢复系数指标n从不同的侧面描述破裂岩块注浆固结效果。岩性从根本上决定固结体的力学性能，这里岩体的破裂程度和状态又是至关重要的，当块体裂隙较少时，注浆固结效果不明显，注浆时其n值约为1.5；（2）由于水泥类材料与岩体的粘结力较低，注浆固结体依旧是含弱面的岩体，强度仍不同程度地低于完整岩石，仍然沿原存在的破裂面发生剪切破坏。

参考文献

[1] 周小能.砂砾石层中浆液渗透扩散现场模拟试验研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2013，（1）.

[2] 李显平.碎石土的颗粒特征及其优先流研究进展[J].中国科技信息，2012，（6）.

（责任编辑：蒋建华）